Sistema de geração eólica

Geradores eólicos, ou simplesmente aerogeradores, utilizam a energia cinética proveniente dos ventos e a converte em energia elétrica. Este processo de transformação de energia ocorre através de uma turbina. Um sistema de geração eólica é composto pelos componentes descritos a seguir.

• Rotor: Componente responsável pela conversão da energia cinética dos ventos em energia mecânica de rotação;

• Transmissão e caixa multiplicadora: Transmite a energia cinética proveniente do eixo do rotor para o gerador. Em alguns tipos de geradores esse item não é utilizado, assim, o eixo do rotor é conectado diretamente ao eixo do gerador;

• Gerador elétrico: Componente que realiza a transformação de energia mecânica em energia elétrica;

• Sistema de controle: Utilizados para adequação da velocidade, controle de carga e orientação do rotor;

• Torre: Parte estrutural do sistema para sustentação e posicionamento do rotor; • Transformador: Conexão entre gerador e a rede elétrica.

2.3.2.1 Modelagem de um sistema aerogerador

O rendimento de um sistema de geração a partir de energia eólica é definido pela relação entre a potência elétrica entregue à rede e a potência disponível nos ventos [58]. Esta potência pode ser calculada a partir da equação 2.4, em que Peoé a potência disponível no vento em kW , Aro é a área do rotor em m2, ρ é a densidade do ar, dada por 1225 kg/m3_{, e v é a velocidade do vento em m/s.} Peo = 1 2 ∗ Aro∗ ρ ∗ v 3_{∗ 10}−3 (2.4) A potência convertida pela turbina eólica tem relação direta com o modelo de aerogerador e varia com a disposição e o ângulo de inclinação das pás. Assim, é necessário incluir um fator de ajuste, denominado coeficiente de potência, que relaciona a velocidade do rotor com a velocidade dos ventos. O valor teórico máximo do coeficiente de potência é conhecido como limite de Betz, definido em 0,593. Porém, na prática, o máximo valor alcançado por turbinas reais é 0,5. O valor correto deste coeficiente, que também inclui as perdas elétricas e mecânicas inerentes [58], é informado pelo fabricante da turbina eólica.

A equação 2.5 formula a potência da turbina eólica - Ptb, dada em kW , em função da potência calculada na equação 2.4 e do coeficiente de potência do aerogerador Cpot.

Ptb= Cpot ∗ Peo (2.5)

Além de fornecer as características físicas de um aerogerador e os parâmetros inerentes de sua configuração, os fornecedores de turbinas disponibilizam também sua curva de potência sob condições de operação padrão. Esta curva relaciona a velocidade dos ventos com a potência de saída da turbina, conforme ilustrado na Figura 9.

Em que v é a velocidade instantânea atuante nas pás do rotor, vent é a velocidade de entrada em operação, vnom é a velocidade nominal e vcor é a velocidade de corte. O valor da potência de saída da turbina Ptb é função da velocidade v e de sua potência nominal Peon.

Figura 9 – Curva de potência teórica de uma turbina eólica

Através da figura anterior, é possível verificar que o incremento de potência ocorre com o aumento da velocidade dos ventos na região compreendida entre vent e vnom. A velocidade de entrada é o valor mínimo de velocidade dos ventos necessário para exceder o torque de arranque do aerogerador.

Entre a velocidade de entrada e a velocidade nominal, a turbina funciona com rotor de velocidade variável e busca maximizar a sua potência gerada com mecanismos de controle. Quando a velocidade alcança o valor nominal, ocorre o processo de alta rotação do rotor, que impacta na passagem de vento pela turbina e, mesmo com o aumento da rotação, sua potência mantém-se constante. A velocidade de corte é aquela em que há corte de geração para não comprometer as estruturas mecânicas do aerogerador. O comportamento da figura 9 pode ser formulado como:

Ptb =          0, v < vent ou v > vcor q(v), vent ≤ v < vnom Peon, vnom ≤ v ≤ vcor

(2.6)

Em que q(v) é uma função não linear, usualmente representada como: • Curva de potência polinomial;

• Curva de potência exponencial; • Curva de potência cúbica.

2.3.2.2 Influência das características locais na modelagem de aerogeradores

As curvas de potência de aerogeradores são derivadas de medições de campo, em que um anemômetro é posicionado sobre um mastro perto de uma turbina eólica. A determinação da posição do instrumento deve ser definida de maneira que não haja interferência de possíveis turbulências causadas pelo rotor da turbina. Com pouca oscilação

de velocidade dos ventos, pode-se utilizar os valores de medições a partir do instrumento acoplado e das potências desenvolvidas pela turbina. Assim, é necessário realizar a correção dos valores de potência obtido de acordo com as condições climáticas locais de inserção do sistema de geração eólica [59].

Um dos parâmetros a serem analisados é a densidade do ar do local de realização das medições para obtenção de curva de potência. Se o valor de densidade no local de implantação da turbina for diferente da densidade de ar padrão, deve-se traçar a relação entre os dois parâmetros para determinação do valor correto de potência do gerador. A equação 2.7 formula a potência corrigida da turbina, Ptbcor, de acordo com o valor da densidade local ρ em relação à densidade de referência ρ0, para a qual a curva é

disponibilizada [47].

Ptbcor = Ptb∗ ρ ρ0

(2.7) Quando a densidade do ar na região de aferimento não for conhecida, pode-se obter uma aproximação deste valor através da equação 2.8.

ρ = 101325 ∗ [1 − 2.25577 ∗ 10

−5_{∗ Hlf ]}5.2559

82943.978 (2.8)

Em que Hlf é a altura do local de implantação do gerador eólico em relação ao nível do mar.

Outro fator importante a ser ponderado é o valor obtido de medições de velocidade de vento, que são relativos a uma altura específica. Geralmente, esta altura não é equivalente à direção de incidência do rotor da turbina. Com isso, deve-se retificar o valor obtido de medição para a altura em que se encontra o eixo da turbina. Esta correção é dada pela equação 2.9, que relaciona a velocidade de ventos no eixo da turbina vt com a velocidade no nível de medição vm, em função das respectivas alturas hm e ht.

vt= vm∗ ht hm

α

(2.9) Em que α é a constante de Hellman, cujo valor é determinado a partir de carac- terísticas do local. Quando o gerador está inserido em cidades com edifícios altos, este valor é de 0,4, enquanto que em locais livres de construções elevadas, como planícies, mar e lagos, o valor assumido é 0,1[47].

Outros fatores são cruciais para análise de locais de instalação de turbinas eólicas, como [59]:

• Características do terreno - a particularidade do terreno influencia na incidência dos ventos por inúmeros fatores. A irregularidade presente em alguns perfis de terreno

reduz a velocidade dos ventos e proporciona o surgimento de turbulências que interfe- rem negativamente na conversão de energia. A existência de construções elevadas ou obstáculos no terreno também coopera para diminuição de eficiência do aerogerador. A região deve apresentar condições climáticas favoráveis ao funcionamento ideal do sistema concomitante à facilidade de acesso para realização de rotinas de manutenção no aerogerador;

• Perfil de velocidades de vento - a análise do perfil de distribuição da incidência de ventos na região de implantação do gerador é baseada nos valores de altitude. Quanto maior a altura, maior é a velocidade de vento associada. Esta relação geralmente é atribuída à forma exponencial, porém, sua função é dependente do valor da rugosidade da superfície e do gradiente de temperatura do ar junto ao solo. Em cenários específicos, deve-se atentar ao valor nulo de velocidade.

• Turbulência - Deve-se levantar um estudo sobre o estado de agitação do ar, deno- minado turbulência. As frequências e amplitudes destas oscilações são informações importantes para o projeto.

2.3.2.3 Penetração de energia eólica no mundo

O intenso crescimento do interesse pelo uso da energia eólica é evidente nos últimos anos. Segundo relatório anual global de energia eólica, divulgado pelo conselho global desta forma energética, mais de 52 GW de capacidade eólica foi instalada em 2017, contribuindo com um total de 539 GW globais [60]. O gráfico da figura 10, encontrada em [60] e figura 11, encontrada em [61], mostram os valores mundiais da capacidade instalada ano a ano e o ranking disponibilizado no boletim anual de geração eólica 2017 da associação Brasileira de Energia Eólica [61]. O Brasil ocupa o oitavo lugar no ranking mundial de potência eólica instalada com progresso significativo, devido principalmente à sua capacidade de conversão desta forma de energia em eletricidade, dada pela disponibilidade de recursos naturais.

Figura 11 – Ranking mundial de capacidade eólica acumulada - 2017

Uma das iniciativas que cooperaram para produção de empreendimentos no setor foi a instituição do PROINFA (Programa de Incentivo às fontes Alternativas de Energia Elétrica), em 2002. A consolidação dos projetos desenvolvidos no programa culminou na implantação de 40 parques eólicos no país. Outra iniciativa significante foi a promoção do primeiro leilão de energia eólica pela ANEEL, em 2009, que cooperou para o desenvolvi- mento de 71 projetos eólicos com capacidade total de 1800 MW [59]. As perspectivas no setor de energia eólica são promissoras no país e o desenvolvimento crescente é perceptível ao longo dos anos.